一種面向煤礦的信息物理融合系統模型

白魚秀，鄭歡歡

（榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000）

0 引 言

信息物理融合系統（Cyber-Physical System, CPS）是一個在環境感知的基礎上融合了物理和計算單元的計算機網絡系統，以實現物理與信息世界之間的虛實互聯，智能地響應真實世界場景的動態變化，使之具有決策、判斷和管控能力。礦井生產環境龐大且復雜多變，安全事故難以預料、破壞性嚴重且具有次生和衍生危害，礦井生產系統的整體行為及其趨勢無法在其真實的實體系統下確定，且無法在物理上通過單獨分析其各組成要素確定。針對煤礦安全生產的需要，本文擬采用智能設備、數據計算、控制等技術，給出一個基于CPS的智能煤礦系統模型，為煤礦CPS研究提供新的方向。

1 信息物理融合系統介紹

傳統的物理系統側重關注影響系統實現的細節因子，信息系統重點關注系統功能的實現。而CPS以實現物理系統與信息系統的深度耦合為目標，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合和實時交互，以安全、可靠、高效和實時的方式監測或是控制一個物理實體。傳統系統的功能性劃分會帶來子系統間的沖突問題，而通過CPS的數據信息傳輸、算法優化和控制修正，能夠從根本上解決子系統間的沖突問題，達成系統融合目標，實現虛擬世界和現實世界的感知、通信、控制。

美國在2006年發布的《美國競爭力計劃》明確將CPS列為重點研究項目；歐盟在2007年提出將CPS作為智能系統的一個重要發展方向；德國在2009年的《德國工業4.0實施建議》中提出：建設一個平臺—“全新的基于服務和實時保障的CPS平臺”；我國在2010年啟動了“面向信息物理融合系統平臺”等項目。CPS通過監視和感知物理實體以及數據計算與物理實體的交互，在各領域的應用越來越廣泛，比如醫療保障、農業、電力、交通運輸、工業生產等。

整個CPS系統可以抽象為由物理單元、計算單元和控制單元三部分組成，如圖1所示。物理單元負責對實際物理環境中的現場人員、信息設備和信息系統的感知；計算單元負責物理實體與計算進程的交互以及多源信息的融合分析；控制單元則是根據定義規則和行為特性執行決策，改變物理實體，使得物理實體具有精確計算、協同控制的功能，整個過程中操作員輔助執行，可以參與任何過程。

圖1 CPS系統模型

CPS將物理世界與信息世界深度融合，信息在異構網絡空間中傳遞后又反饋給物理環境。CPS系統工作流程如圖2所示。它利用無線傳感網、嵌入式設備從物理環境中感知信息，并通過網絡傳輸，由計算機融合多信息進行分析計算，最后再依據已設定的模型規則形成決策，向執行器發出操作指令。此過程是一個“感知-計算-執行”不斷循環的過程，直到完成預定的控制目標。

圖2 CPS系統工作流程

2 煤礦信息物理融合系統的建立

煤礦信息物理融合系統是建立在煤礦井下物理環境中的，通過無線傳感網、物聯網技術和計算機通信技術等的深度融合，實現對煤礦井下物理環境的實時監控與智能控制，構成一個動態的反饋系統。

2.1 煤礦CPS模型

針對煤礦井下環境和煤礦生產自身的特殊性，利用CPS技術和物聯網技術及相關的大數據分析和解算方法，構建了一種面向煤礦信息的物理系統模型。如圖3所示，該模型為煤礦生產的“感知-處理-監控”全過程提供智能支持，以保障礦井安全生產的動態優化與精準控制。

圖3 煤礦CPS模型

本文的煤礦CPS模型主要包括信息獲取層、數據計算層和協同控制層。信息獲取層主要包括無線傳感器網絡、嵌入式設備和無線通信技術等感知物理環境的智能配置，并通過感知器和執行器將采集到的各類實時信息轉化為計算機能夠識別的信息傳送到數據計算層；數據計算層主要將所收集的數據進行存儲和計算并傳輸給系統控制層；協同控制層利用控制理論等技術對匯聚的信息進行處理分析，做出相應的決策并向執行器發送相應指令對信息獲取層的儀器設備進行具體的操作控制。

2.2 煤礦CPS模型體系結構

（1）信息獲取層：該層主要利用物理環境中的各種智能感知設備，如傳感器設備、人員定位系統、報警設備、傳輸設備等，采集煤礦井下物理參數和物理狀態信息，實時監控瓦斯濃度、風速和儀器設備狀態等物理環境參數的變化。無線傳感器將獲取到的礦井環境參數進行數據融合，然后將采集到的實時信息通過可靠的有線、無線通信網絡傳輸到數據計算層。

（2）數據計算層：該層是連接物理世界和現實世界的媒介，主要實現數據資源共享和復雜計算處理。煤礦井下型號各異的物理設備都具有一定的計算能力，數據庫服務器存儲傳輸獲取到的數據，計算服務器對各個設備之間傳輸的異構數據進行計算與處理。按照數據傳遞的方向可分為上行和下行，上行表示物理世界數據向協同控制中心傳送，下行表示現實世界協同控制中心指令向虛擬物理世界傳送數據。

（3）協同控制層：該層主要幫助操作員實時監控煤礦井下物理環境的整個狀態。借助大量的數據業務系統模型，采用先進軟硬件技術對采集數據進行實時分析，并將判決信息反饋到實際煤礦生產現場，完成生產的實時監控；并且在必要時發出控制指令，由執行器實現相應的反饋操控，形成一個完整的閉環系統。

煤礦CPS模型的三層結構之間高效交互映射，實現了煤礦井下資源配置和運行的實時響應和動態優化。

3 結 語

本文將CPS應用到煤礦井下生產中，給出了具有監測控制功能的煤礦CPS模型。該模型具有數據實時感知獲取、運行狀態實時處理計算、狀態實時協同控制等功能。該模型的提出可以提高煤礦的安全控制，為構建“智慧礦山”提供重要的技術支持，為推動煤礦智能化建設奠定相關的理論基礎。雖然CPS模型帶來了很多技術優勢，但是CPS以計算機網絡為核心，容易受到網絡的惡意攻擊，后續本文將重點研究如何使CPS不易受篡改，提高其安全性。